精细陶瓷材料断裂韧性的测定.pdf

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1、第卷第 期讨。云硬质合金年月精细陶瓷材料断裂韧性的测定江筱玲林洲硬质合金厂,湖南株洲,摘要通过论述单刃缺口梁三点弯曲法、拉伸法、显徽压痕法等侧定材料断裂韧性二值方法的墓本原理,综合考虑各种测量方法对精细陶瓷材料洲断裂韧性精确度的影响以及侧定过程的可操作性,结合实际侧定试验结果分析,最终确定显徽压痕法作为侧定精细肉瓷材料断裂韧性值常规检测方法关镇词精细肉瓷单刃缺口梁三点弯曲法拉伸法显徽压痕法断裂韧性绪论冬冬河河河河河弓弓弓砖砖砖蓄蓄蓄今今今今今样一幽试一,只精细 陶瓷材料,尤其是氮化硅、氮化铝等精细陶瓷具有良好的耐酸、耐碱性,绝缘性能良好,能在极其恶劣的环境下工作。但是它们的缺点是脆性大,抗冲击

2、力弱,易发生脆性断裂。因此,要广泛运用精细陶瓷材料,则必须重视其断裂韧性。理论上测量断裂韧性的方法有 多种,诸如单刃缺口梁三四点弯曲法、拉伸法、压痕法,通常情况是根据所测量材质的脆性大小选用不同的测试方法。本文在分析比较各种方法 的基础上,提出显微压痕法是测量精细陶瓷的较好方法。单刃缺口梁三点弯曲法测材料断裂韧性的试样其厚度、高度、跨度符合下列比例试 样 长度可稍大于,不得小于。二氏图一曲线在材料试验机上加载,做一曲线,如图,由一曲线确定几万,计算出,再由确定二作者简介 江筱玲,女,岁,年毕业于兰州大学物理系金物理专业,年至今从,硬质合金、稀有金、精细脚住的质检验和研究工作。硬质合金第卷由于种

3、种原因,一曲线初始阶段可能不是直线见 图,可按直线段反向延 长求得原点,然而根据其斜率取其,从原点做斜线,与曲线相交得。若交点以前曲线上某点的纵座标值大于,则该点即为,否则。预制 裂缝往往是不 同程度的舌状前缘,因此按舌宽度等分份,取条裂纹长度、,取其 中三个裂纹长度的平均值石,令,、一一一,资料记载,用三点弯曲法测定热压氮化硅陶瓷 的断 裂韧性值在一,之间,误差为。综合分析几种常用的测断裂韧性。的方法之后,结合精细陶瓷材料的特点,决定采用显微压痕法测定断裂韧性值。由计算公式桑里、一、桑片一异蜡备号一备晋备,号,算出。首 先检验二,若二,则将计算出的值代入式显微压痕法测值采用压痕硬度实验是 由

4、标准维氏压头产生 圆锥形状或 角锥形状的辐射压痕,辐射压痕不会变形。维氏压头与试样平面接触点的压力与压痕尺寸有关,这样为维氏硬度测量提供了方便。当增加施加在压头上的压力时,压头周 围弹性应力场增 加,导致不可逆 转的变形。当维氏硬度计压头上的载荷进一步的增加,试样裂纹会相继发生,形成的裂纹将进一步的传播。当撤下压头时,可以见到试样压痕的周 围有辐射裂纹,它是压痕 中心 向四个方向发射的裂纹,这些裂纹的变形机理依据脆性材料和压头形状的特性而变化。运动中相对于压痕尺寸的辐射裂纹的长度由试样的断裂韧性决定。针对辐射裂纹 问题的第一个基本方法由和在年提出,它以断裂力学为基础,建立的模型为进一步分析裂纹

5、扩展提出了一个 轮廓,认为在 弹性应力场中,表面中央裂纹的生 成是由点接触产生,通过必要的消除压痕顶 端 的应力异常,使试验材料的硬度纳入 了等式,而最初的尝试又使得 问题过分简化,预计、裂纹长度“”随春增加的载荷“”,按一定的方式扩展,常量依赖于断裂表面能“”,泊 松比“”和杨氏模量“”以及维氏硬度“”,由考虑了裂纹 的半圆形 的 因素,以后 的研究对和提出的模型作了修改,认识到在撤回压头之后,一些残 留应力一定存在,还提出弹性应力是驱动最 初应 力的设想。最初描述在维氏压头周 围出现辐射裂纹、,产、,尹了吸、丛一灭其中最大压 应力,试样截面 积,若满足,则。一,否则本次 实验得不到 有效的

6、,应该换试样重做试验。拉伸法的 测试过程类似于三点弯曲法,原理是 将圆棒试样中间加工一 圈裂纹,然后对两端施加拉力,同时作一曲线,根据公粼一痴俞运算,推算确定滩。三点弯曲法和拉伸法在测定精细陶瓷断裂韧性时,一个难以操作的 问题是加工测试试样较困难。对于金属材料,因它有较好的抗弯强度,能按确定的要求加工,对于精细陶瓷材料,用 同样 的机械切割或线切割方式预制裂纹,难度很大,实 际情况是,试样尚未被切割到要求的裂缝尺寸,材料就脆性断裂了。若切割成一个很小的凹槽,再用疲劳试验机产生预制裂缝,该裂缝 的长度也难以控制到要求的尺寸,因此,对测量结果有影响。据第期江筱玲精细陶恢材料断裂韧性的测定的文章发表

7、过一段时间,但在测量维氏硬度的同时,人 们常常需要尽量避免辐射裂纹 的出现。后来证实辐射裂纹 的长度与韧性有经验式 的关系,辐射裂纹 才被定量的利用。刚开始,该经验式 的关系被用于金属碳化物上。而由和设想 的 一个弹性塑性应力场导致了公式 的推广和应用。标准的裂纹长度“”是压痕对角线的一半,它根本上依赖于断裂韧性、万,必是抑制因素,还有其它 的因素对裂纹 长 度、断 裂韧性有 影 响,特别是摩擦系数林、泊松比。和比率,为塑性区半径。和对上述 关系提出了经验修正,使得它能用于实际,断裂韧性二由压痕的测量经过计算而得到。压痕对角线的一半,、象征函数。由比较不 同陶瓷材料的许多压痕中的正常的裂纹 长

8、度作出一 张 校 正图,它 使得函数,、由经验公式一决定,最终得到经验公式二一、百旦一实测丫万一,悬晶,其 中。断裂韧性,压制因子,维氏硬度,杨氏模量,辐射裂纹平均长度,试样取氮化硅、氮化铝精细陶瓷材料试样,大小符合显微硬度试验用的标准。试样上下平面平行,将上平面在金相磨 床上磨至镜面,以备测试。测试分 别用、。、。、。、。五 种 载 荷,在维氏硬度计上进 行试验,测得实验结果如下测得 同个氮化硅陶瓷在不同载荷下的维氏硬度值及出现的裂纹长度。实验温度,保压时间一秒。见表。表测试试样的维氏硬度值与裂纹长度载荷测试项目第一次结果第二次结果第三次结果第四次结果第五次结果平均值相对偏差勺。写不 同载荷

9、下测得的氮化硅 的断裂性值见表。测得在不同载荷下碳氮化钦金属陶瓷的维氏硬度、裂纹长度,见表。测得不 同载荷下 的碳氮化钦的断裂韧性,见表。硬质合金第卷衰氮化硅试样的断裂韧性值载荷一次结果二次结果三次结果四次结果五次结果相对误差。衰碳化氮化杜金陶尝的维氏硬度载荷掩测试项目、一次结果二次结果。三次结果平均值。一。相对偏差写。幻。衰砚扭化性金陶资的断获韧性加载载荷一次结果二次结果犯三次结果标准偏差相对误差。肠实验结果分析实验结果分析从实验结果来看,在加载过程中,载荷的大小对最终结果的偏差有直接的影响。当载荷为公斤时,裂纹长度的波动性大,导致结果的相对误差也大。对于氮化硅精细陶瓷材料,裂纹长度的相 对

10、误差 为,而 对 氮碳化钦,则为,均超过。当载荷增加时,在同一加载量的情况下,裂纹长度相对偏小些,氮化硅 和氮碳化钦两种材料所产生裂纹长度的相对误差都在以内。对于氮化硅材料,由于材质的脆性,产生裂纹 的扩展随意性大,相对误差也就大些。对氮碳化钦材料,多次测量所产生的裂纹长度的相对误差均小于。由显 微 压 痕法测的原理得知,裂 纹长度与材料的断裂韧性存在着函数关系,裂纹 长度的误 差直接影响断裂韧性 结果的误差。实验结果也证实了这点。对于氮化硅精细陶瓷材料,由于每次加载所产生的裂纹长度的的相对误差较大,因此得到 的断裂韧性的测量结果 的相对 误差大,通常在范围内波动 实验时,为减少误差,选择的载

11、荷量大于公斤。氮碳化钦材料裂纹长度相对误第期江筱玲 精细陶瓷材料断裂韧性的测定差较小,其最终得到的断裂韧性值的结果相对误差在以内,通常能控制到以下。与其它方法的比较实验过程中,还选用 了 另一种压痕法 测定现有材料的断裂韧性值,该法过程是 先利用维氏硬度计预制一纵向裂纹,然后用材料试验机进行三点 弯曲试验,试样断裂后测得预裂纹长度注 意该试样 在试验之前经热腐蚀处理,以便在试样断裂之后能准确测量预制裂纹的长度。由测试样抗弯强度值,经公式计算得 到。该测试原理颇适用于准脆性材料,但这种方法无法进行重复试验,无法验证测量结果的准确性。结合精细 陶瓷材料的特性和测试方法的特点,我 们最终选定 了本文

12、 的显微压痕法作为 测量陶 瓷材料的值的常规 方法,并 使相对误差保持在一定的范围。当然科学在不断发展,不断的进步,我 们相信在不远的将来能出现更精确,更 简捷方便的测试陶瓷材料断裂韧性的方法。结论理论论述显微压痕法作为测 定陶瓷材料断裂韧性值的可行性。通过对氮化硅陶瓷、氮碳化钦精细陶瓷的实验证实压痕法作为脆性材料断 裂 韧性值测量的常用方法的可靠性。与其它测试方法比较,显微压痕法具有操作简单、方便、测量结果较其它测试方法精确等特点。参考文献殷声编著现代陶瓷及 其 应用北 京科学技术出版社美金格瑞等著陶瓷导论中国建筑工业出版社,五一专业断裂韧性组编断裂韧性的原理及 测试长沙工学院出版,】,阅,一即一,诫,而,硕,喇,而一,一,一卯一,众感只感只方诀翻巴诀已泊也认认泊泊谈泊泊泊巴泊巴泊谈诀诀泊巴泊感润感诀感只巴认巴诀润硬质合金 和陶瓷的制取方 法本发明是指碳化物基硬质 合金及陶 瓷的制取,包括以下工序混合带 有 有机拈结剂的复合物,以保证能用注射成形方 法进行粉末成 形的并具有相当的韧性。它由两种复合物组成,具有不同的分解温度低温分解段和 高温分解段,制得最终模型的原坯,在低温下和气氛围中,当控制温度和以上气体耗童的条件下,并且最高温度为时进行 轧制。在托里真空中,去掉二 次拈结复合物温度缓慢上升到,并在这一温 度下持续小时材料在托里真空中烧结,温度均速上升到。唐 丹供稿